Organismi viventi e virus, Esame di Biologia e Genetica applicata

APPUNTI DI BIOLOGIA

Argomenti: elementi di biologia di base (teoria cellulare, organizzazione

gerarchica dei viventi, omeostasi, evoluzione, metabolismo, riproduzione);

classificazione degli organismi viventi; cellula procariote; focus batteri

(caratteristiche, struttura, morfologia, colorazione di Gram, scissione binaria,

meccanismi di ricombinazione genetica → coniugazione, trasformazione e

trasduzione, esempi di infezioni batteriche); cellula eucariote (caratteristiche e

struttura); membrane biologiche (caratteristiche, struttura, funzioni, proprietà

→ fluidità, asimmetria e permeabilità selettiva); trasporto di membrana;

trasporto del glucosio; giunzioni cellulari; soluzioni; virus.

A cura di Martina Paoli

martinapaoli94@gmail.com

BIOLOGIA = insieme delle discipline scientifiche che si occupano dello studio degli organismi viventi.

Dal greco βίος (bìos) “vita” e λόγος (lògos) “studio”.

CITOLOGIA = branca della biologia che studia la struttura microscopica della cellula, dal punto di vista

morfologico e funzionale.

Dal greco κύτος (kutos) “cellula” e λόγος (lògos) “studio”.

Nel 1665, Robert Hooke (matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese), utilizzando un microscopio di

sua invenzione, fu il primo a notare che il sughero e altri tessuti vegetali presentavano tante piccole cavità

separate l’una dall’altra che inizialmente chiamò “celle” → da qui, poi, il termine “cellula”.

TEORIA CELLULARE

Si articola in 2 punti:

1) La cellula è l’unità biologica minima e l’unità fondamentale della materia vivente;

2) Le cellule derivano esclusivamente dalla divisione di altre cellule. -6

Unità di misura della cellula = micron/micrometro µm → un milionesimo di metro (10 ) -9

Unità di misura degli organuli all’interno della cellula = nanometro nm → un miliardesimo di metro (10 )

L’ORGANIZZAZIONE GERARCHICA DEI VIVENTI

LIVELLO BIOCHIMICO

Gli atomi si uniscono per formare molecole.

Le molecole costituiscono le unità monomeriche che, mediante l’instaurazione di legami covalenti, vanno a

formare i polimeri. Le macromolecole biologiche (es. proteine, glucidi, acidi nucleici) sono polimeri.

CELLULA

Le macromolecole biologiche sono i costituenti delle cellule e degli organuli cellulari (es. nucleo,

mitocondri, ecc…).

TESSUTO

Le cellule si associano per formare i tessuti (es. tessuto cardiaco, tessuto osseo, ecc…).

ORGANO

I tessuti si associano per formare organi con funzioni specifiche (es. cuore, polmoni, fegato, ecc…).

SISTEMA/APPARATO

Insieme di organi con compiti differenti, ma che partecipano tutti allo svolgimento della stessa funzione

generale.

Apparato → si tratta di organi con diversa origine embriologica (es. apparato digerente).

≠

Sistema → si tratta di organi con la medesima origine embriologica (es. sistema nervoso).

ORGANISMO

Essere vivente dotato di una struttura completa in cui una serie di sistemi/apparati lavorano insieme in

maniera funzionale e interdipendente.

CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI VIVENTI

In base al numero di cellule che li compongono, gli organismi viventi possono essere classificati in:

 UNICELLULARI = formati da una singola cellula (es. batteri, protozoi, ecc…).

 PLURICELLULARI = formati da più cellule interdipendenti (es. piante e animali).

In base all’organizzazione cellulare, gli organismi viventi possono essere classificati in:

 PROCARIOTI = organizzazione cellulare semplicistica. Non è presente un vero e proprio nucleo, il

DNA si trova nel citosol, in una regione detta nucleoide, sottoforma di groviglio non ben definito.

Non possiedono citoscheletro né organuli cellulari, ad eccezione dei ribosomi.

Es. Batteri.

 EUCARIOTI = organizzazione cellulare complessa. Presentano un nucleo ben definito e delimitato,

separato dal citoplasma tramite l’involucro nucleare.

Possiedono il citoscheletro e nel citoplasma sono presenti numerosi organuli cellulari.

Es. Uomo, animali, piante, ma anche protozoi e alghe → anche alcuni organismi unicellulari

rientrano tra gli eucarioti.

METABOLISMO

= insieme di reazioni chimiche che avvengono all’interno di una cellula o di un organismo e ne consentono

lo svolgimento delle funzioni vitali, lo sviluppo e il mantenimento.

Si articola in 2 fasi contrapposte:

 ANABOLISMO = consiste nell’assimilazione delle sostanze nutritive e nell’insieme di reazioni di

costruzione/bioformazione di molecole complesse a partire da molecole semplici (es. sintesi

proteica).

Questa fase richiede quindi l’impiego di energia.

 CATABOLISMO = consiste nell’insieme di processi di degradazione e reazioni di demolizione di

molecole grandi e complesse in molecole più piccole e semplici (es. catabolismo dei carboidrati, da

cui la cellula ricava energia).

In relazione al concetto di metabolismo, gli organismi viventi possono essere classificati in:

 ETEROTROFI = non sono in grado di sintetizzare autonomamente le sostanze di cui hanno

bisogno per vivere e devono ricavarle dall’ambiente esterno, introducendole ad esempio attraverso la

dieta (es. uomo, animali).

Utilizzano energia chimica.

 AUTOTROFI = sono in grado di sintetizzare in modo autonomo le molecole organiche di cui hanno

bisogno per sopravvivere, partendo da sostanze inorganiche semplici (es. piante, batteri).

Utilizzano energia luminosa.

Si dividono in:

FOTOSINTETICI = sfruttano l’energia solare (es. fotosintesi clorofilliana)

o CHEMIOSINTETICI = sfruttano l’energia liberata da particolari reazioni inorganiche (es.

o chemiosintesi batterica).

OMEOSTASI

= attitudine propria degli esseri viventi al mantenimento di una condizione stazionaria interna, grazie a

meccanismi che controllano e compensano l’influenza di fattori esterni e interni sull’organismo.

Es. mantenimento delle componenti chimiche e del PH del sangue, gestione della glicemia, regolazione della

temperatura corporea, ecc…

RIPRODUZIONE

= capacità degli organismi viventi di dare origine ad altri individui della stessa specie.

Può essere:

 ASESSUATA → SCISSIONE BINARIA (es. nei batteri)

Non richiede l’unione dei gameti. Un esemplare dà origine ad un altro esemplare uguale a se stesso.

 SESSUATA → MITOSI E MEIOSI (es. nell’uomo)

Richiede l’unione dei gameti.

Gamete maschile = SPERMATOZOO (23 cromosomi)

Gamete femminile = CELLULA UOVO FUNZIONALE (23 cromosomi).

EVOLUZIONE

= processo di adattamento delle popolazioni all’ambiente circostante.

Richiede intere generazioni per perfezionarsi e ha come risultato un cambiamento generalizzato nelle

caratteristiche dei componenti di tali popolazioni.

Come viene riportato anche dalle teorie evoluzionistiche di Darwin, sopravvivono e proseguono l’evoluzione

solo i soggetti più idonei ad adattarsi.

I PROCARIOTI

= sono uno dei 2 principali domini in cui sono suddivisi gli organismi viventi e sono rappresentati

esclusivamente da organismi unicellulari.

CARATTERISTICHE DEI PROCARIOTI:

 Hanno dimensioni cellulari microscopiche = 0,3 – 2 micron;

 Organizzazione cellulare semplicistica. Non è presente un vero e proprio nucleo, il DNA si trova nel

citosol, in una regione detta nucleoide, sottoforma di groviglio non ben definito;

 Rapide capacità riproduttive → scissione binaria;

 Grandi capacità di adattamento (sono in grado di colonizzare sia habitat comuni che habitat estremi);

 Non possiedono citoscheletro, non possiedono sistemi di endomembrane (non sono presenti diversi

ambienti interni alla cellula e separati da membrane), non presentano organuli cellulari immersi nel

citosol, ad eccezione dei ribosomi.

CLASSIFICAZIONE DEI PROCARIOTI

I procarioti possono essere ulteriormente suddivisi in 2 regni:

 ARCHEA-ARCHEOBATTERI

= rappresentano i batteri più antichi, ossia i batteri primitivi.

Possono colonizzare habitat comuni, ma sono detti estremofili perché in grado di vivere anche in

condizioni estreme (es. notevoli profondità, assenza di ossigeno, aree vulcaniche, pozze di ghiaccio,

acque estremamente salate, ecc…).

Tra gli archeobatteri troviamo i batteri metanogeni, in grado di produrre metano.

 BACTERIA-BATTERI

= sono i procarioti più numerosi e diversificati.

Non comprendono solamente batteri patogeni come il botulino o la salmonella, ma anche batteri utili

e fondamentali per l’organismo, come la flora batterica intestinale (→ organizzata in colonie

definite commensali/simbionti, che contribuiscono all’integrità della mucosa intestinale, si

oppongono alla proliferazione di altri batteri patogeni, ecc…)

Comprendono anche i micoplasmi = particolari batteri privi di parete cellulare che vivono nel

terreno, nelle acque di scarico e in alcuni casi nelle mucose umane. Sono le più piccole cellule

viventi.

In base al tipo di respirazione cellulare e ai processi metabolici, i procarioti si possono classificare in:

 BATTERI AEROBI OBBLIGATI

= possono vivere e produrre energia cellulare solo in presenza di O → respirazione

2

cellulare.

 BATTERI ANAEROBI OBBLIGATI

= possono vivere e produrre energia cellulare solo in assenza di O , perché privi degli enzimi

2

necessari alla fosforilazione ossidativa → processo di fermentazione.

Es. Clostridium Botulinum (batterio che causa il botulino).

 BATTERI AEROBI/ANAEROBI FACOLTATIVI

= sono in grado di vivere e di produrre energia cellulare sia in presenza che in assenza di O 2,

grazie all’attivazione di diversi processi metabolici.

Es. Batterio dell’Escherichia Coli.

MICROBIOMA

= insieme di tutti i batteri, virus, funghi e microrganismi che vivono all’interno del corpo umano.

DISLOCAZIONE DEI BATTERI NELL’UOMO:

 Pelle

 Cavo orale

 Vie respiratorie

 Apparato digerente

 Tratto urogenitale (vie urinarie, genitali, ecc…)

STRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTA:

 CAPSULA

= rivestimento esterno gelatinoso di natura polisaccaridica o proteica, che possiede la maggior parte

dei batteri.

Può fungere da “magazzino” contenente sostanze utili per la cellula.

Nei batteri che vivono in ambienti extracorporei, la capsula protegge dall’essiccamento.

Nei batteri che vivono all’interno del corpo umano, la capsula rappresenta una strategia per eludere

la sorveglianza immunitaria dell’organismo, in quanto li “nasconde” al sistema immunitario.

 PARETE CELLULARE

= struttura che protegge la cellula da agenti meccanici (es. calore), e chimici (es. disinfettanti,

antibiotici). Conferisce alla cellula rigidità e resistenza.

Ha attività pirogena → causa aumento della temperatura corporea dell’organismo ospitante.

Determina la patogenicità batterica.

È formata da peptidoglicano ( = detto anche mureina, è un polimero formato da zuccheri e

amminoacidi tenuti insieme da legami crociati disposti a formare una sorta di fitta rete).

La parete cellulare dei batteri Gram-positivi è formata da numerosi e spessi strati di peptidoglicano

(circa 20); mentre la parete cellulare dei batteri Gram-negativi è formata da 1 solo sottile strato di

peptidoglicano.

La parete cellulare solitamente circonda la membrana plasmatica.

 MEMBRANA PLASMATICA

= sottile barriera con struttura trilaminare organizzata secondo il modello a mosaico fluido → vedi

focus membrana plasmatica.

Ha varie funzioni: delimita il citosol; consente il trasporto verso l’interno di nutrienti ed altri

elementi utili alla cellula e l’espulsione dei materiali di scarto garantendo l’omeostasi grazie alla

permeabilità selettiva (consente il passaggio di solvente come l’acqua e di piccole molecole come

l’ossigeno, mentre impedisce il passaggio di grandi molecole); è sede dei principali processi

metabolici (respirazione cellulare, sintesi di lipidi, fotosintesi nei cianobatteri, ecc…), ed è il sito di

ancoraggio di numerosi enzimi.

 MESOSOMI

= invaginazioni della membrana plasmatica verso il citoplasma che formano vescicole, tubuli o

lamelle.

Intervengono nella divisione cellulare, facilitando la separazione dei 2 filamenti di DNA batterico

(mesosomi settali), contengono enzimi coinvolti nella sintesi dei componenti della parete cellulare

(mesosomi biosintetici), contengono gran parte degli enzimi coinvolti nella respirazione cellulare

(mesosomi respiratori).

 CITOSOL

= gel colloidale formato per l’80% da H2O + sali minerali, proteine, zuccheri e lipidi, che occupa

l’ambiente interno alla cellula e in cui sono immersi il materiale genetico, le inclusioni e i ribosomi.

 MATERIALE GENETICO

DNA genomico = rappresentato da una singola molecola di DNA circolare, localizzata in

o una regione detta nucleoide.

DNA plasmidico = rappresentato dai plasmidi → singoli e brevi filamenti di DNA

o circolare contenenti geni non essenziali per la cellula, ma che possono conferirle

caratteristiche come, ad esempio, la resistenza agli antibiotici. Non è presente in tutti i

batteri.

 INCLUSIONI

= accumuli di sostanze con funzione di riserva energetica all’interno della cellula (es. glicogeno,

granuli di zolfo e fosfato, ecc…).

 RIBOSOMI

= molecole responsabili della traduzione dell’mRNA e della conseguente sintesi proteica.

 STRUTTURE ACCESSORIE

= strutture che svolgono diverse funzioni:

Flagelli = appendici motorie formate da sub unità proteiche di flagellina, utili per il

o movimento.

Sono formati da 3 elementi: struttura basale, filamento e uncino.

In base al numero di flagelli si possono distinguere batteri monotrichi (1 flagello posto a

un’estremità); anfitrichi (2 flagelli siti alle 2 estremità); lofotrichi (molteplici flagelli posti

tutti a un’estremità a formare una sorta di ciuffo); peritrichi (numerosi flagelli sparsi su tutta

la superficie della capsula).

Pili e fimbrie = appendici lineari che, insieme alla capsula, contribuiscono notevolmente

o alla differenziazione morfologica dei batteri e rappresentano il fattore di adesività.

Sono coinvolti infatti in funzioni fisiologiche come l’adesione alle superfici di altre cellule.

I pili sono formati da piline, proteine molto mutevoli e capaci di ingannare il sistema

immunitario, e da adesine, proteine che permettono appunto al batterio di aderire agli epiteli

mucosi e di colonizzarli.

Le fimbrie contengono lectine, proteine che legano specifici zuccheri presenti sulla

membrana plasmatica delle cellule, come ad esempio il mannosio.

ENDOSPORE = strutture di resistenza create dai batteri Gram-positivi in condizioni

o ambientali sfavorevoli e finalizzate a proteggere il genoma da agenti fisici (calore,

essiccamento, ecc…) e chimici (disinfettanti), con lo scopo di permettere la sopravvivenza

della cellula batterica in uno stato dormiente → sporogenesi = capacità di produrre spore.

COLORAZIONE DI GRAM

= tecnica ideata nel 1884 dal medico danese Hans Christian Gram, per distinguere i batteri in base alla

struttura della loro parete cellulare, rilevante a livello clinico perché da essa dipende la loro patogenicità e

quindi la loro suscettibilità agli antibiotici (es. pennicillina efficace contro batteri Gram-positivi).

Fase 1. Il campione biologico preso in esame (es. latte o direttamente una colonia batterica) e steso sul

vetrino sterilizzato viene fissato al calore e poi trattato con una soluzione di acqua + colorante cristal-

violetto, detto anche violetto di genziana, che penetra nel citoplasma delle cellule.

Tutte le cellule si colorano di viola/blu.

Fase 2. Viene aggiunta una soluzione iodata (Lugol) che agisce sul peptidoglicano presente nella parete

cellulare delle cellule.

Tutte le cellule restano viola/blu, scolorendosi leggermente.

Fase 3. Si procede con la decolorazione mediante l’aggiunta di acetone o alcol etilico, sostanze che

disidratano la parete cellulare.

Il decolorante riuscirà a penetrare la parete cellulare dei batteri Gram-negativi, in quanto molto più sottile e

formata da una minore quantità di peptidoglicano + altre sostanze, rimuovendo il cristal-violetto.

Al contrario, il decolorante non riuscirà a penetrare la parete cellulare dei batteri Gram-positivi, in quanto

formata da strati più numerosi e spessi di peptidoglicano, quindi il cristal-violetto resterà intrappolato

all’interno.

Batteri Gram-negativi → diventano incolori

Batteri Gram-positivi → rimangono viola/blu

Fase 4. Viene aggiunta una soluzione di safranina o fucsina, che colorerà di rosa i batteri Gram- negativi.

Batteri Gram-negativi → rosa

Batteri Gram-positivi → viola/blu

STRUTTURE BATTERICHE A CONFRONTO:

GRAM-POSITIVI GRAM-NEGATIVI

- Capsula; - Capsula;

- Parete cellulare spessa, formata da numerosi strati - Parete cellulare molto sottile

(circa 20) costituiti al 90% da peptidoglicano; formata da peptidoglicano

monostratificato

- Membrana esterna formata da

doppio strato fosfolipidico,

lipopolisaccaridi e lipoproteine;

- Periplasma = regione che separa la

membrana esterna dalla membrana

plasmatica e dove si trovano numerosi

enzimi, proteine di trasporto e

recettori;

- Membrana plasmatica. - Membrana plasmatica.

Per agire sulle infezioni di origine batterica si utilizzano gli antibiotici.

ANTIBIOTICO = sostanza chimica prodotta a partire da microrganismi che agisce sugli agenti patogeni, ad

esempio inibendo la crescita della parete cellulare dei batteri o impedendo la sintesi proteica all’interno di

essi.

MORFOLOGIA DEI BATTERI:

 COCCHI = forma sferica

DIPLOCOCCHI = 2 cocchi

o STREPTOCOCCHI = catenella di cocchi

o STAFILOCOCCHI = grappolo di cocchi

o SARCINA = insieme di più cocchi organizzati in una forma cubica

o AM